用STEM理念改造小学科学教学

2020-02-03 09:45:41 教育·综合视线 2020年1期

徐杰

STEM教育(即科学、技术、工程与数学教育)是近十几年来国际科学教育发展新趋势,也深深地影响了我国的科学教育。STEM教育不是简单的S+T+E+M的教育,而是围绕需求或项目,运用科学、技术、工程和数学的知识,综合形成学生的STEM素养。在教学实践中,我们可以在以下几方面实现改造小学科学教学。

单学科到多学科的转变

在教学《种油菜》一课时,统计饱满油菜种子的颗粒数,渗透数学统计学中概率与常态分布的知识;教学《今天刮什么风》一课时,让学生感受“风”并续写科学小诗,展示学生的语言描述和表达能力;教学《观察小动物》后,对蚊子在什么样的环境中最活跃进行研究,从而找出消灭蚊子的可行性方法;教学《土壤与生命》后,组织学生明确主题,搜集资料,设计、制作、修饰、发布电子小报,既抒发了对土壤妈妈的感激之情,又综合运用了多学科知识、方法、能力。

当然,语文教师可以把春天变成“最美的课程”,带领学生在种花、赏花、吟诗、写诗的基础上,广泛阅读关于花卉的系列科普图书,认识花的成长周期、果实的构造和种子的特点,通过图文结合的观察笔记,深度体验生命的状态和意义,由衷感叹“科学真美”;数学教师可以带领学生研究高空坠物,将力学与数学计算完美结合;美术教师可以将绘画与幻想结合起来,指导学生制作葫芦画、衍纸等,体现美学与创造学的有机结合。学生撰写的研究论文《圩角河中藻类的调查》《捕捉空气中的微生物》《蚊子的故事》《银杏树为什么不结果》等,分别获得省、市一等奖。我们还与种植养殖、天文观测、科学体验、创新大赛等活动结合起来,让学生在实践中应用知识,获取更多的“活”知识,为他们将来的发展进一步创造条件。这种从单学科到多学科的转变和突破,是知识活化的一种基本途径,很好地体现了STEM理念的运用和发展。

多学科到跨学科的转变

STEM教育的学习过程围绕解决真实情境中问题产生的学习活动,也只有在亲身经历问题解决中“真刀真枪搞科学”,真正体验“希望、失望、成功、失败、决策、优化”,不断修正、完善认知、观点,形成经验积累和理念提升。

“建桥梁”是STEM中的经典项目。由于自然环境各异,所处的地理位置各异,桥梁的设计包括施工工艺、施工材料、施工流程都会不同。比如“港珠澳大桥”在实现“桥体最重、隧道最长、跨度最大、技术最复杂、工程规模最庞大”等记录的同时,也把创造性地解决真实问题表现得淋漓尽致。这正是激励学生不断探索、勇于创新的魅力所在。而打捞“南海1号”宋代沉船也是一个很好的案例,因为它给水下考古工作者提出了前所未有的巨大挑战。采取什么样的施工方法、施工工艺、施工流程,才能保护好有可能被损坏且价值无法估量的“南海1号”沉船呢?考古工作者、科技工作者围绕多个方案开展可行性论证,通过跨部门协同创新,历经了上百次的模拟实验之后,最终采用了“整体打捞”沉船出水,给世人生动地展示了海上丝绸之路的风采,也对我国古代造船工艺、航海技术研究以及木质文物长久保存提供了最典型标本。从多学科到跨学科是一个庞大科学体系组成的新兴学科。很显然,唯有围绕解决真实情境问题发生的实战化项目学习,才能使学生运用多门学科知识,在学习中与周围世界和现实生活发生联系,进而提升发现问题、分析问题和解决问题的能力,增强创新精神。

跨学科到超学科的转变

所谓超学科,就是不受学科限制,各学科知识、方法、能力、工具都可以贯通运用。STEM教育强调主题下的大概念以及大概念下的跨学科技能,如文学素养、思维能力、研究能力、合作能力、决策能力等。因此,STEM教育可以幫助我们实现从跨学科到超学科的转变和突破。

例如,“造纸桥”这类课的教学重点是制造一座纸桥,学生根本没有机会体验限定条件下的优化(迭代)设计过程。为了实现从跨学科到超学科的转变和突破,笔者借鉴工程框架思路改造教材,设计了连续课时的超学科课程。我们把“造纸桥”的工程设计,融合了对不同形状结构是如何影响承载力的项目学习,确定的需求就是设计“可跨越50cm宽的‘山谷、能承受至少1500g重量”的纸桥。各组学生经过头脑风暴之后,再聚焦承重力,逐一探究拉索、拱形、圆筒、风力、地形、地貌等结构对承重的影响。通过测试不同拱度纸拱的承重能力,优化(迭代)设计作品;之后,确定了承重、材料、外观、创意等评价指标,评价各小组的作品。学生通过科学探究、工程设计,从建立科学理解到优化设计,都充分体现了科学与工程的双向联系。同样,在制作糕点的基础上,深入了解其科学原理,帮助“特需人群”设计一款糕点(给蛋白质过敏的患者食用),引导学生从小小科学家向小小工程师的转变,使之成为一个有价值的STEM项目,一个超学科的项目学习案例。类似的还有,把“立体种(养)植”“智能化菜园”“舞台泡泡秀”等这些故事情境转化在STEM教育中,真正做到学习过程灵活开放、方案设计丰富多样。在这样的教学中,学习脉络的枝蔓向外生长,联结点更丰富、可能性更大。

因此,我们要用STEM理念改造小学科学教学,设计“跨学科”的问题、“超学科”的问题、“跨学科”的项目、“超学科”的项目,最大限度地实施了人的教育,培养和造就大批适应新时代需要的有STEM素养的人才。

【本文系江苏省教育科学“十三五”规划2016年度重点资助课题《基于STEM理念的小学科学课程及“创想梦工厂”系列课外实践活动开发与研究》(课题编号:B-a/2016/02/08)研究成果之一】

(作者单位:江苏省海门市海南小学)